交大電力電子系統與晶片實驗室
勇奪第八屆旺宏金矽獎設計組評審團銅獎


旺宏電子股份有限公司與旺宏教育基金會所主辦的「第八屆旺宏金矽獎半導體設計與應用大賽」於725日舉行頒獎典禮。由國立交通大學電機與控制研究所鄒應嶼教授所率領實驗室學生,分別為吳家豪、陳緯超、蔡宗翰及詹茗皓同學出賽,以「具功因修正之永磁式無刷直流馬達無感測控制整合單晶片」獲得設計組評審團銅獎。

「旺宏金矽獎」活動今年邁入第八屆,此八年來共有一千零三十二隊,約計三千九百名師生投入這項競賽中。第八屆報名隊伍更是突破歷年參賽紀錄,共計兩百支隊伍報名角逐,總獎金超過三百萬元,包括台灣大學、交通大學及各大專院校等,從中選拔出十四支隊伍入圍決賽,以及二十支優勝獎得獎隊伍。

交大電控所的電力電子系統與晶片實驗室(Power Electronic Systems & Chips Lab)代表參賽的隊伍『智慧動力』,由吳家豪、陳緯超、蔡宗翰及詹茗皓組隊參加,針對現今最熱門的環保議題,以白色家電作為目標,單晶片控制為手段,開發出『高效率,高電源品質』的具功因校正之無感測永磁式無刷直流馬達單系統控制晶片,作為家電產品中馬達的最佳驅動解決方案。

在頒獎典禮上,主頒獎人李遠哲博士勉勵所有金矽獎得獎學生,能夠利用自己的長才讓科技發展同時也能善用地球資源,推動再生能源開發、建立社會物質循環使用,使人類可以在地球上永續發展。因此本實驗室將繼續致力於改善馬達效能,提高電源品質,為全世界的能源危機盡一份心力。


頒獎典禮

台灣屬於主要能源進口國,全球高油價對台灣帶來的衝擊更是不容忽視,所以如何節能成為現今重要的科技發展目標。針對改善馬達、壓縮機系統效率與電源品質,本企劃提出一個以單晶片實現的方案。

創造高節能、高效率的白色家電壓縮機驅動系統單晶片為本企劃最大訴求。使用微控制器(MCU)進行整合,包含:功率因數修正器(PFC)、變壓調控、無感測(Sensorless)演算法及電流控制…等,充分發揮無刷直流馬達的優越性能,達到高節能、改善電源品質與實現超靜音運轉等多重目的。本團隊利用系統晶片設計(System-on-a-Chip, SoC)的概念,整合積體電路、與控制等設計與製造技術,設計出採用數位類比混合信號設計,以『電源品質與節能』為主要訴求,兼具有PFC與Sensorless BLDCM Controller的控制IC。


具功因修正之永磁式無刷直流馬達無感側控制整合單晶片

Sensorless VOPFC BLDCM Control IC

摘要

高效率、高功因、頻控制已成為近代無刷直馬達驅動器的發展趨勢,本企劃提出一個最佳解決方案;透過整合無感測演算、磁場導向控制及可變輸出PFC功能,以可程式系統晶片(SoPC)為基礎,發展高效率、高功因無刷直流馬達控制晶片,作為家電產品馬達驅動的最佳解決方案;同時功能模組化的架構,可減少產品設計人員的開發時程。

本晶片系統主要分為三大區塊,第一為無感測轉子位置估測演算法,藉由量測三相電壓及電流推估轉子位置,進行馬達控制,可省去安裝解碼器(Encoder)或是霍爾感測元件(Hall Sensor)的成本。第二為可變輸出PFC,此級架構為升降壓型(Buck-Boost)轉換器,可讓直流端電壓穩定操作在更大的範圍,不會因輸入電壓而受限,同時讓無刷直流馬達的控制策略更具彈性。第三為磁通導向向量控制,藉由微處理器高速運算的能力,成功實現由F.Blaschke所提出的向量控制演算法;透過線性座標轉換後可以將三相無刷直流馬達等效為一個直流馬達(DC Motor),系統架構更簡單,控制器也更容易設計,提高系統控制準確度及運轉效率。

透過本企劃畫書的理論分析與實驗模擬,驗證此系統單晶片的可行性,藉此開發出高節能,高功因具功因校正之無感測永磁式無刷直流馬達單晶片,作為家電產品中馬達的最佳驅動解決方案。

系統架構

統的馬達多屬有刷直流馬達或是感應式馬達,其運轉效率不高,噪音也大;此外高功耗的驅動級電路若是缺乏功率因數校正(Power Factor Correction),電源品質低下,將使能源利用效率不,浪費能源。現今效率最高的馬達為永磁式無刷直流馬達,除了高效率外更具有低噪音、單位體積最高能量輸出、可控變頻速度、維修簡便、架設低成本…等優點;由於各國環境保護法規的規範日趨嚴格,高節能、高電源品質的白色家電產品已成為未來的發展趨勢。為了有效提升這些自動化家電的工作效能,新一代的自動化產品將採用高效率永磁式無刷馬達變速驅動方式,藉由微電腦控制(MCU)變頻器針對無刷馬達進行驅動控制,達到比傳統家電高約2~3倍的運作效率。

在本企劃將以白色家電作為目標,單晶片控制為手段,開發出高節能,高功因的具功因校正無感測永磁式無刷直流馬達單系統控制晶片,作為家電產品中馬達的最佳驅動解決方案。

驅動器功率級

馬達驅動器功率級主要供分成二大部分。第一部分為市電電流進入驅動器的交直流轉換器(AC-DC Converter),台灣的市電系統規範為110 V及220 V交流電,其電壓經過全波整流後,再進行穩壓輸出直流電壓,作為無刷直流馬達的驅動電壓源。現今法規對電機電子產品要求日漸嚴格,系統除了穩壓之外,還必須加入功率因數修正(Power Factor Correct) ,提高電源品質,避免干擾電網,同時降低電源的無意義的損耗。

        第二部分為直流轉交流轉換器(DC-AC Inverter),六組IGBT模組組成三相全橋式DC-AC 脈寬調變(PWM Generator)系統,透過此轉換器可以依照馬達速度需求,產生相對應振幅及頻率的弦波電流,驅動無刷直流馬達。

馬達驅動器功率級電路

系統整合控制單晶片

系統控制晶片為整個馬達驅動器系統的核心價值,其中控制訊號包含前級交直流轉換器的開關命令,以及後級的六組開關訊號輸出三相電流控制命令,此外為了增進系統控制得響應速度及準確性,利用ADC數位訊號回授進行閉回路控制,提升整體控制效能。

單晶片全系統方塊圖

此晶片採用數位類比混合信號設計,針對白色家電產品之應用,以『電源品質與節能』為訴求,具有PFC與sensorless BLDCM controller 的控制IC。系統單晶片總共包含有以下三大功能:

第一功能為輸出可變的功率因數修正(VOPFC);透過回授電流、電壓等訊號,控制兩組開關以50 kHz頻率切換,達到穩定輸出電壓可從50 V~300 V,同時功率因數維持趨近於1。因應各類電機電子設備對電源品質之要求愈趨嚴苛,除對市電供應者提供用電品質及穩定度要求外,積極降低用電設備對電網(Electric Grid)的污染,更是電機電子研發者的責任。馬達驅動器(Motor Driver)的三相電流輸出級可等效為一個降壓型轉換器(Buck Converter),電流諧波成分極大,造成電網汙染。對於此系統有必要開發功率因數修正架構,提高系統功率因數。

     第二功能為磁通導向控制及電流閉迴路控制;此企劃欲控制的馬達為永磁式弦波型三相無刷直流馬達;所謂的馬達即是個電與磁交互作用的系統,為了簡化操作模式,將磁場及電流視作為向量函數,並將同步旋轉座標軸定義在動態的轉子之上,屆時操作系統只要考量對應在轉子上的兩個垂直磁通量,分別為定子等效磁通量及轉子等效磁通量;在等速旋轉下的馬達需要固定的轉矩,因此需要固定大小的定子磁場,透過改變定子磁場即可等比例地改變馬達轉矩,增快或減慢轉速。此外也可透過改變平行轉子磁通的磁場分量大小,進行弱磁或是強磁控制。為了加快系統響應速度及提高控制的準確性,設計電流內迴路控制架構,提高電流響應。

        第三功能為無感測轉子位置估測演算法;透過無感測估測可順利獲得轉子位置及轉動速度,無需安裝其他感測元件。一般馬達在操作時會選擇使用編碼器(Encoder)或是霍爾感測器(Hall Sensor)…等來量測轉子位置,但編碼器有體積大且昂貴的缺點,霍爾元件則有易受干擾且不耐高溫的缺點;除此之外,額外安裝感測器更因此需要設計通訊界面及額外提供電壓源供給感測器運作,大大增加安裝困難度;由以上分析可知無感測演算法將可成為較佳的解決方案。

馬達成功啟動,並最終定速在2500 rpm                    向量控制正反轉控制,三相電流變化


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Last update: 2008/09/02